基于多电机协同推进的遥控水下机器人动力定位研究
这是一篇关于作业型ROV,动力定位,偏差耦合策略,虚拟主轴策略,模型预测控制的论文, 主要内容为海洋占据了地球表面超过70%的面积,里面富含大量的矿产、能源和生物资源,在资源日益匮乏的今天,各国纷纷大力开发海洋资源。遥控水下机器人ROV(Remote Operated Vehicle)作为水下观测、作业、探索的常用设备,在海洋开发过程中起到了重要作用。本文以自主研发的作业型ROV为基础,在多电机控制策略、永磁同步电机控制方法、ROV动力定位控制和水下机器人实验系统研制等方面进行研究。首先,本文对作业型ROV、多电机控制策略、永磁同步电机控制方法和水下机器人动力定位的国内外最新研究状况与趋势进行分析,并根据水下机器人技术指标,对水下机器人进行整体设计。其次,着重研究了作业型遥控水下机器人多电机协同动力定位控制新方法。在多电机控制策略方面,本文提出一种虚拟主轴与偏差耦合相结合的控制策略,使得两种控制策略的优势互补,以提高遥控水下机器人多电机协同推进的快速性和准确性;在单台永磁同步电机控制方法方面,针对有限集模型预测电流控制在参数失配时稳定性能和动态性能有所下降的问题,本文提出一种基于模糊PID型代价函数的模型预测电流控制方法;在动力定位方面,本文对作业型ROV建立数学模型并简化成4自由度运动学和动力学模型,在此模型的基础上设计了一种新颖的基于反步法的动力定位控制器。为了验证本文提出的多电机控制策略、永磁同步电机控制方法和设计的动力定位控制器,本文在Simulink中搭建了仿真模型,仿真结果表明了虚拟主轴与偏差耦合相结合的多电机同步控制策略、基于模糊PID型代价函数的模型预测电流控制方法和基于反步法的动力定位控制器的有效性。然后,参与研制了作业型ROV的实验系统,主要包括水面监控系统和主从机械手系统。水面监控系统包含ROV运动监控系统、供电系统和声呐系统,其中重点设计了水面监控台信息采集电路板的软硬件和基于Qt的上位机监控软件。主从机械手系统包含液压系统、机械手系统和供电系统,其中重点设计了主机械手信息采集电路软硬件、从机械手控制电路软硬件和变频器控制电路软硬件。最后,对作业型ROV进行实验与结果分析。实验包括本文重点设计的电路板和基于Qt的上位机监控软件的实际测试、主从机械手联调、永磁同步电机模型预测电流控制实验、多电机协同实验;以及作业型ROV整体组装后的湖试实验,包括动力定位的定航和定深实验,最终的实验结果表明本文设计制作的作业型ROV满足设计要求。
过驱动水下机器人水平面动力定位控制技术研究
这是一篇关于过驱动水下机器人,动力定位,滑模控制,推力分配,遗传算法,容错控制的论文, 主要内容为随着全球经济与科学技术的发展,人类进入了21世纪大规模开发利用海洋空间及资源的时期,党的十九大报告中再次明确“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”的发展战略。水下机器人技术作为船舶与海洋工程、机械科学、计算机科学、电子科学、控制理论等多种学科交叉的产物,近年来得到了迅速的发展,并在海洋资源开发、水下作业中扮演着重要的角色,随着水下作业需求的增加,对水下机器人的性能需求也不断提高,要求水下机器人具备更好的位置、姿态控制能力以及一定的机动性能和容错性能来保障任务的完成。因此,设计一套完备可靠的机器人控制系统具有重要意义。在这种背景下,本课题采用一款开源的过驱动水下机器人Blue ROV2 Heavy作为研究对象,并以动力定位任务为目标展开控制系统关键技术的研究。本文首先对该水下机器人的硬件、软件组成框架及数学模型进行分析,之后针对控制系统中的运动控制、推力分配、故障诊断及容错三个模块进行算法设计,最后通过Matlab仿真与实际试验的方式进行算法可行性的验证,为研究完备可靠的水下机器人控制系统提供了参考。具体研究内容及创新点如下:(1)首先介绍本课题的研究背景和意义,对水下机器人的发展历程及水下机器人控制系统关键技术进行综述。随后对研究对象Blue ROV2 Heavy的硬件、软件框架详细介绍,接下来依据挪威学者Fossen模型和各推进器的配置形式对水下机器人建立六自由度运动学、动力学模型和推进系统模型。最后为简化算法的推导过程及便于试验验证,引入约束条件得到机器人在水平面的运动学、动力学和推进系统模型。(2)面向水下机器人的动力定位任务进行滑模运动控制器的设计:首先结合滑模变结构策略和幂次趋近律设计了一种基准控制器。随后,在此基础上,引入非线性扰动观测器和辅助动力系统分别实现对外界扰动的逼近补偿以及对系统输入饱和现象不利影响的抵消。进而,设计得到一种鲁棒抗饱和滑模控制器,并通过李亚普诺夫稳定性理论和仿真研究证实了所设计控制器的有效性。(3)针对过驱动配置的冗余推力分配问题进行推力分配策略的研究:首先基于伪逆方法设计推力分配器,但该方法在推力饱和工况的应用中存在限制。随后选择群智能优化算法中较为成熟的遗传算法进行推力分配研究,并通过自适应选择、变异算子提高算法收敛性,引入多种群概念提高求解的稳定性。遗传算法存在计算资源消耗高的问题,因此结合伪逆与遗传算法的优点提出伪逆-改进遗传切换算法,最后通过Matlab仿真证明所提出的切换算法能够在满足实时性的情况下实现偏差最小、能耗最优的推力分配。(4)适用于推进器故障工况的故障诊断及容错策略的研究:首先根据推进器故障的表征形式对机器人进行故障问题建模。随后为了简化诊断流程,采用推进器效率因子和机器人的运动状态量构建扩展状态变量,并基于无迹粒子滤波方法实现故障推进器的效率估计。为了增加故障诊断的可靠性,通过贝叶斯分析算法实现推进器故障判定。接下来考虑到不同故障程度,设计效率修正和故障屏蔽两种重构容错方法。最后通过Matlab仿真证明故障诊断算法及容错算法的有效性。(5)基于过驱动水下机器人Blue ROV2 Heavy在船模拖曳水池和湖泊中开展试验验证:首先基于QT应用程序框架开发用于算法验证的岸基监控软件,该软件可以进行系统状态监控、算法求解及指令的发送。随后开展水下基础航行控制、动力定位等运动控制试验,另外根据现有的传感器等硬件条件对算法进行简化以开展故障诊断和容错控制试验,有效地验证本课题提出算法的可行性。
基于多电机协同推进的遥控水下机器人动力定位研究
这是一篇关于作业型ROV,动力定位,偏差耦合策略,虚拟主轴策略,模型预测控制的论文, 主要内容为海洋占据了地球表面超过70%的面积,里面富含大量的矿产、能源和生物资源,在资源日益匮乏的今天,各国纷纷大力开发海洋资源。遥控水下机器人ROV(Remote Operated Vehicle)作为水下观测、作业、探索的常用设备,在海洋开发过程中起到了重要作用。本文以自主研发的作业型ROV为基础,在多电机控制策略、永磁同步电机控制方法、ROV动力定位控制和水下机器人实验系统研制等方面进行研究。首先,本文对作业型ROV、多电机控制策略、永磁同步电机控制方法和水下机器人动力定位的国内外最新研究状况与趋势进行分析,并根据水下机器人技术指标,对水下机器人进行整体设计。其次,着重研究了作业型遥控水下机器人多电机协同动力定位控制新方法。在多电机控制策略方面,本文提出一种虚拟主轴与偏差耦合相结合的控制策略,使得两种控制策略的优势互补,以提高遥控水下机器人多电机协同推进的快速性和准确性;在单台永磁同步电机控制方法方面,针对有限集模型预测电流控制在参数失配时稳定性能和动态性能有所下降的问题,本文提出一种基于模糊PID型代价函数的模型预测电流控制方法;在动力定位方面,本文对作业型ROV建立数学模型并简化成4自由度运动学和动力学模型,在此模型的基础上设计了一种新颖的基于反步法的动力定位控制器。为了验证本文提出的多电机控制策略、永磁同步电机控制方法和设计的动力定位控制器,本文在Simulink中搭建了仿真模型,仿真结果表明了虚拟主轴与偏差耦合相结合的多电机同步控制策略、基于模糊PID型代价函数的模型预测电流控制方法和基于反步法的动力定位控制器的有效性。然后,参与研制了作业型ROV的实验系统,主要包括水面监控系统和主从机械手系统。水面监控系统包含ROV运动监控系统、供电系统和声呐系统,其中重点设计了水面监控台信息采集电路板的软硬件和基于Qt的上位机监控软件。主从机械手系统包含液压系统、机械手系统和供电系统,其中重点设计了主机械手信息采集电路软硬件、从机械手控制电路软硬件和变频器控制电路软硬件。最后,对作业型ROV进行实验与结果分析。实验包括本文重点设计的电路板和基于Qt的上位机监控软件的实际测试、主从机械手联调、永磁同步电机模型预测电流控制实验、多电机协同实验;以及作业型ROV整体组装后的湖试实验,包括动力定位的定航和定深实验,最终的实验结果表明本文设计制作的作业型ROV满足设计要求。
基于多电机协同推进的遥控水下机器人动力定位研究
这是一篇关于作业型ROV,动力定位,偏差耦合策略,虚拟主轴策略,模型预测控制的论文, 主要内容为海洋占据了地球表面超过70%的面积,里面富含大量的矿产、能源和生物资源,在资源日益匮乏的今天,各国纷纷大力开发海洋资源。遥控水下机器人ROV(Remote Operated Vehicle)作为水下观测、作业、探索的常用设备,在海洋开发过程中起到了重要作用。本文以自主研发的作业型ROV为基础,在多电机控制策略、永磁同步电机控制方法、ROV动力定位控制和水下机器人实验系统研制等方面进行研究。首先,本文对作业型ROV、多电机控制策略、永磁同步电机控制方法和水下机器人动力定位的国内外最新研究状况与趋势进行分析,并根据水下机器人技术指标,对水下机器人进行整体设计。其次,着重研究了作业型遥控水下机器人多电机协同动力定位控制新方法。在多电机控制策略方面,本文提出一种虚拟主轴与偏差耦合相结合的控制策略,使得两种控制策略的优势互补,以提高遥控水下机器人多电机协同推进的快速性和准确性;在单台永磁同步电机控制方法方面,针对有限集模型预测电流控制在参数失配时稳定性能和动态性能有所下降的问题,本文提出一种基于模糊PID型代价函数的模型预测电流控制方法;在动力定位方面,本文对作业型ROV建立数学模型并简化成4自由度运动学和动力学模型,在此模型的基础上设计了一种新颖的基于反步法的动力定位控制器。为了验证本文提出的多电机控制策略、永磁同步电机控制方法和设计的动力定位控制器,本文在Simulink中搭建了仿真模型,仿真结果表明了虚拟主轴与偏差耦合相结合的多电机同步控制策略、基于模糊PID型代价函数的模型预测电流控制方法和基于反步法的动力定位控制器的有效性。然后,参与研制了作业型ROV的实验系统,主要包括水面监控系统和主从机械手系统。水面监控系统包含ROV运动监控系统、供电系统和声呐系统,其中重点设计了水面监控台信息采集电路板的软硬件和基于Qt的上位机监控软件。主从机械手系统包含液压系统、机械手系统和供电系统,其中重点设计了主机械手信息采集电路软硬件、从机械手控制电路软硬件和变频器控制电路软硬件。最后,对作业型ROV进行实验与结果分析。实验包括本文重点设计的电路板和基于Qt的上位机监控软件的实际测试、主从机械手联调、永磁同步电机模型预测电流控制实验、多电机协同实验;以及作业型ROV整体组装后的湖试实验,包括动力定位的定航和定深实验,最终的实验结果表明本文设计制作的作业型ROV满足设计要求。
过驱动水下机器人水平面动力定位控制技术研究
这是一篇关于过驱动水下机器人,动力定位,滑模控制,推力分配,遗传算法,容错控制的论文, 主要内容为随着全球经济与科学技术的发展,人类进入了21世纪大规模开发利用海洋空间及资源的时期,党的十九大报告中再次明确“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”的发展战略。水下机器人技术作为船舶与海洋工程、机械科学、计算机科学、电子科学、控制理论等多种学科交叉的产物,近年来得到了迅速的发展,并在海洋资源开发、水下作业中扮演着重要的角色,随着水下作业需求的增加,对水下机器人的性能需求也不断提高,要求水下机器人具备更好的位置、姿态控制能力以及一定的机动性能和容错性能来保障任务的完成。因此,设计一套完备可靠的机器人控制系统具有重要意义。在这种背景下,本课题采用一款开源的过驱动水下机器人Blue ROV2 Heavy作为研究对象,并以动力定位任务为目标展开控制系统关键技术的研究。本文首先对该水下机器人的硬件、软件组成框架及数学模型进行分析,之后针对控制系统中的运动控制、推力分配、故障诊断及容错三个模块进行算法设计,最后通过Matlab仿真与实际试验的方式进行算法可行性的验证,为研究完备可靠的水下机器人控制系统提供了参考。具体研究内容及创新点如下:(1)首先介绍本课题的研究背景和意义,对水下机器人的发展历程及水下机器人控制系统关键技术进行综述。随后对研究对象Blue ROV2 Heavy的硬件、软件框架详细介绍,接下来依据挪威学者Fossen模型和各推进器的配置形式对水下机器人建立六自由度运动学、动力学模型和推进系统模型。最后为简化算法的推导过程及便于试验验证,引入约束条件得到机器人在水平面的运动学、动力学和推进系统模型。(2)面向水下机器人的动力定位任务进行滑模运动控制器的设计:首先结合滑模变结构策略和幂次趋近律设计了一种基准控制器。随后,在此基础上,引入非线性扰动观测器和辅助动力系统分别实现对外界扰动的逼近补偿以及对系统输入饱和现象不利影响的抵消。进而,设计得到一种鲁棒抗饱和滑模控制器,并通过李亚普诺夫稳定性理论和仿真研究证实了所设计控制器的有效性。(3)针对过驱动配置的冗余推力分配问题进行推力分配策略的研究:首先基于伪逆方法设计推力分配器,但该方法在推力饱和工况的应用中存在限制。随后选择群智能优化算法中较为成熟的遗传算法进行推力分配研究,并通过自适应选择、变异算子提高算法收敛性,引入多种群概念提高求解的稳定性。遗传算法存在计算资源消耗高的问题,因此结合伪逆与遗传算法的优点提出伪逆-改进遗传切换算法,最后通过Matlab仿真证明所提出的切换算法能够在满足实时性的情况下实现偏差最小、能耗最优的推力分配。(4)适用于推进器故障工况的故障诊断及容错策略的研究:首先根据推进器故障的表征形式对机器人进行故障问题建模。随后为了简化诊断流程,采用推进器效率因子和机器人的运动状态量构建扩展状态变量,并基于无迹粒子滤波方法实现故障推进器的效率估计。为了增加故障诊断的可靠性,通过贝叶斯分析算法实现推进器故障判定。接下来考虑到不同故障程度,设计效率修正和故障屏蔽两种重构容错方法。最后通过Matlab仿真证明故障诊断算法及容错算法的有效性。(5)基于过驱动水下机器人Blue ROV2 Heavy在船模拖曳水池和湖泊中开展试验验证:首先基于QT应用程序框架开发用于算法验证的岸基监控软件,该软件可以进行系统状态监控、算法求解及指令的发送。随后开展水下基础航行控制、动力定位等运动控制试验,另外根据现有的传感器等硬件条件对算法进行简化以开展故障诊断和容错控制试验,有效地验证本课题提出算法的可行性。
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